Физические основы электроники - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Министерство Российской Федерации
по связи и информатизации
Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики
В.Л. Савиных
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
для специальностей 071 700, 200 700,
200 800, 200 900, 201 000, 201 100, 201 200, 201 400
Новосибирск
2003
УДК 621.385
Рассматриваются устройство, физические процессы, характеристики,
параметры и простейшие схемы применения полупроводниковых электронных
приборов.
ктн, доц. В.Л. Савиных,
Для студентов дневной и заочной форм обучения специальностей 071700,
200700, 200800, 200900, 201000, 201100, 201200, 201400.
Кафедра технической электроники.
Ил. 8, табл. 11, список лит. 4 назв.
Рецензент ктн, доц. Матвеев В.А.
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве
учебного пособия
@ Сибирский государственный
университет телекоммуникаций
и информатики, 2003 г.
Содержание
Введение………………………………………………………
1 Основы теории электропроводности полупроводников.......
1 Общие сведения о
полупроводниках....................................
1 Полупроводники с собственной проводимостью..............
2 Полупроводники с электронной проводимостью.............
3 Полупроводники с дырочной проводимостью..................
2 Токи в полупроводниках
....................................................
1 Дрейфовый
ток..................................................................
.
2 Диффузионный
ток...........................................................
3 Контактные
явления...........................................................
1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
2 Прямое включение p-n перехода......................................
3 Обратное включение p-n перехода.................................
1 Теоретическая характеристика p-n перехода...........................
4 Реальная характеристика p-n перехода............................
5 Ёмкости p-n
перехода......................................................
4 Разновидности p-n
переходов..........................................
1
Гетеропереходы.......................................................
....
2 Контакт между полупроводниками одного типа проводимости
3 Контакт металла с
полупроводником..........................................
4 Омические
контакты............................................................
.......
5 Явления на поверхности полупроводника..............................
2 Полупроводниковые
диоды.....................................................
1
Классификация.......................................................
................
2 Выпрямительные
диоды.......................................................
3 Стабилитроны и
стабисторы.................................................
4 Универсальные и импульсные
диоды...................................
5
Варикапы............................................................
..................
3 Биполярные
транзисторы...........................................................
3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.....
1 Общие
сведения............................................................
..................
2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе
2 Статические характеристики биполярных транзисторов.........
1 Схема с общей
базой...............................................................
2 Схема с общим
эмиттером........................................................
3 Влияние температуры на статические характеристики БТ.....
3 Дифференциальные параметры биполярного
транзистора..................
3 Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора......
4 Частотные свойства биполярного
транзистора...................................
5 Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов.
6 Работа транзистора в усилительном
режиме......................................
7 Особенности работы транзистора в импульсном
режиме..................
1 Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой
амплитуды...........................................................
...................................
2 Работа транзистора в режиме
переключения.................................
3 Переходные процессы при переключении транзистора..............
4 Полевые
транзисторы...........................................................
...
1 Полевой транзистор с p-n
переходом........................................
2 Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-ранзистор)...
Литература............................................................
..................................
ВВЕДЕНИЕ
Главы учебного пособия посвящены физическим основам полупровод-ников,
контактным явлениям между полупроводниками различной прово-димости и между
полупроводником и металлом. Рассматриваются принципы работы, характеристики
и параметры полупроводниковых приборов: диодов, биполярных и полевых
транзисторов различной структуры.
Для освоения дисциплины (Физические основы электроники( достаточно
знаний по общеобразовательным и общетехническим предметам в объёме,
предусмотренном учебными программами. После изучения данной дисциплины
студент должен получить базовую подготовку, необходимую для успешного
освоения специальных радиотехнических курсов и последующего решения
различного рода профессиональных задач, связанных с рациональным выбором
электронных приборов и режимов их работы в радиоэлектронной аппаратуре.
Подробное рассмотрение физических основ явлений, принципов работы,
параметров, характеристик и моделей приборов направлено на развитие у
студентов умение самостоятельно решать задачи моделирования, анализа и
синтеза радиоэлектронных устройств при их проектировании и эксплуатации.
Однако в учебном пособии отсутствуют сведения о большой и постоянно
обновляемой номенклатуре электронных приборов. Необходимый материал по этим
вопросам можно найти в справочниках, каталогах и других изданиях.
1 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ
1.1.1 Полупроводники с собственной электропроводностью
К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим
свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и
диэлектриками.
Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость
их электропроводности от температуры, концентрации примесей, воздействия
светового и ионизирующего излучений.
В создании электрического тока могут принимать участие только
подвижные носители электрических зарядов. Поэтому электропроводность
вещества тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится
подвижных носителей электрических зарядов. В металлах практически все
валентные электроны (являющиеся носителями элементарного отрицательного
заряда) свободны, что и обусловливает их высокую электропроводность.
Например, удельное сопротивление меди (=0,017(10-6 Ом(м. В диэлектриках и
полупроводниках свободных носителей значительно меньше, поэтому их удельное
сопротивление велико. Например, для диэлектрика полиэтилена
( = 1015 Ом(м, а для полупроводника кремния ( = 2(103 Ом(м.
Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная
температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С
повышением температуры оно, как правило, уменьшается на 5...6% на градус, в
то время как у металлов удельное электрическое сопротивление с повышением
температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное
сопротивление полупроводника также резко уменьшается при введении в него
незначительного количества примеси.
Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относится к
кристаллическим телам, атомы которых образуют пространственную решетку.
Взаимное притяжение атомов кристаллической решетки осуществляется за счет
ковалентной связи, т. е. общей пары валентных электронов, вращающихся по
одной орбите вокруг этих атомов. Согласно принципу Паули, общую орбиту
могут иметь только два электрона с различными спинами, поэтому число
ковалентных связей атома определяется его валентностью.
Каждой орбите соответствует своя энергия электрона. Электрон в атоме
обладает только некоторыми, вполне определенными значениями энергии,
составляющими совокупность дискретных энергетических уровней атома.
В процессе образования кристаллической решетки между атомами возникает
сильное взаимодействие, приводящее к расщеплению энергетических уровней,
занимаемых электронами атомов (рисунок 1.1). Совокупность этих уровней
называют энергетической зоной. Число подуровней в каждой зоне определяется
числом взаимодействующих атомов.
Разрешенные энергетические зоны 1, 3 отделены друг от друга
запрещенной зоной 2. Запрещенная зона объединяет уровни энергий, которые не
могут принимать электроны атомов данного вещества. Поскольку ширина
разрешенных зон в твердом теле не превосходит несколько электрон-вольт
(эВ), а число атомов в 1 см3 достигает 1022, разность между уровнями
составляет 10-22 эВ. Таким образом, в пределах разрешенной зоны получается
практически непрерывный спектр энергетических уровней.
Верхняя разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле температуры
все энергетические уровни заняты, называется заполненной или валентной
зоной (на рисунке 1.1. это зона 3). Разрешенная зона, в которой при Т = 0(
К электроны отсутствуют, называется свободной (на рисунке 1.1 это зона 1).
Ширина запрещенной зоны (зона 2 на рисунке 1.1) является важным
параметром, определяющим свойства твердого тела. Вещества, у которых ширина
запрещенной зоны (W ( 3 эВ, относятся к полупроводникам, а при (W > 3 эВ -
к диэлектрикам. У металлов запрещенная зона отсутствует.
В полупроводниковой электронике широкое применение получили германий
((W = 0,67 эВ) и
кремний ((W =1,12 эВ) - элементы 4-й группы периодической системы. На
плоскости кристаллическую решетку этих элементов изображают так,
как показано на рисунке 1.2, а. Здесь
|Рисунок 1.1. Энергетическая |
|диаграмма кристалла при Т=0( К. |
кружками с цифрой 4 обозначены атомы без валентных электронов, называемые
атомным остатком с результирующим зарядом +4q (q - заряд электрона, равный
1,6(10-19 Кл). При температуре абсолютного нуля (0( К) все электроны
находятся на орбитах, энергия электронов на которых не превышает
энергетических уровней валентной зоны. Свободных электронов нет, и
полупроводник ведет себя, как диэлектрик.
При комнатной температуре часть электронов приобретает энергию, достаточную
для разрыва ковалентной связи (рисунок 1.2, а). При разрыве ковалентной
связи в валентной зоне появляется свободный энергетический уровень (рис.
1.2, б). Уход электрона из ковалентной связи сопровождается появлением в
системе двух электрически связанных атомов единичного положительного
заряда, получившего название дырки, и свободного электрона.
[pic]
Рисунок 1.2. Условное обозначение кристаллической решетки (а) и
энергетическая диаграмма (б) полупроводника с собственной
электропроводностью.
Разрыв ковалентной связи на энергетической диаграмме характеризуется
появлением в валентной зоне свободного энергетического уровня (см. рис.
1.2, б), на который может перейти электрон из соседней ковалентной связи.
При таком перемещении первоначальный свободный энергетический уровень
заполнится, но появится другой свободный энергетический уровень. Другими
словами, заполнение дырки электроном из соседней ковалентной связи можно
представить как перемещение дырки. Следовательно, дырку можно считать
подвижным свободным носителем элементарного положительного заряда. Процесс
образования пар электрон-дырка называют генерацией свободных носителей
заряда. Очевидно, что количество их тем больше, чем выше температура и
меньше ширина запрещенной зоны. Одновременно с процессом генерации
протекает процесс рекомбинации носителей, при котором электрон
восстанавливает ковалентную связь. Из-за процессов генерации и рекомбинации
носителей зарядов при данной температуре устанавливается определенная
концентрация электронов в зоне проводимости ni, и равная ей концентрация
дырок pi, в валентной зоне. Из курса физики известно, что
[pic] [pic] (1.1)
где Wф - уровень Ферми, соответствующий уровню энергии, формальная
вероятность заполнения которого равна 0,5 (формальная потому, что уровень
Ферми находится в запрещенной зоне и фактически не может быть занят
электронами; кривая распределения Ферми-Дирака, характеризующая вероятность
нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне, всегда
симметрична относительно уровня Ферми); WДН - энергия, соответствующая
"дну" зоны проводимости; WВ - энергия, соответствующая "потолку" валентной
зоны; Аn, Ар - коэффициенты пропорциональности; k - постоянная Больцмана,
равная 1,37(10-23 Дж/град; Т- абсолютная температура, К. В химически чистых
полупроводниках уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны Wi, а
также Аn = Ар = А. Поэтому можно записать:
[pic]. (1.2)
Из выражения (1.2) следует, что в чистом полупроводнике концентрации
носителей зарядов зависят от ширины запрещенной зоны и при увеличении
температуры возрастают приблизи -тельно по экспоненциальному закону
(температурные изменения А играют незначительную роль). (Рисунок 1.3)
Равенство концентраций ni и pi показывает, что такой полупроводник обладает
одинаковыми электронной и дырочной электропроводностями и называется
полупроводником с Рисунок 1.3 Зависимость концентрации собственной
электропроводностью.
носителей от температуры.
1.1.2 Полупроводники с электронной электропроводностью
При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов
(фосфора Р, сурьмы Sb) атомы примесей замещают основные атомы в узлах
кристаллической решетки (рис. 1.4, а). Четыре электрона атома примеси
вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов
основного полупроводника. Пятый валентный электрон слабо связан со своим
атомом и при сообщении ему незначительной энергии, называемой энергией
активации, отрывается от атома и становится свободным. Примеси,
увеличивающие число свободных электронов, называют донорными или просто
донорами. Доноры подбирают таким образом, чтобы их энергетические уровни Wд
располагались в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости основного
полупроводника (рис. 1.4, б). Поскольку концентрация доноров в большинстве
случаев не превышает 1015...1017 атомов в 1 см3, что составляет
10-4 % атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами доноров
отсутствует и их энергетические уровни не разбиваются на зоны.
Малая энергия активизации примесей, равная 0,04-0,05 эВ для кремния и 0,01-
0,13 эВ для германия, уже при комнатной температуре приводит к полной
ионизации 5-валентных атомов примесей и появлению в зоне проводимости
свободных электронов. Поскольку в этом случае появление свободных
электронов в зоне проводимости не сопровождается одновременным
[pic]
Рисунок 1.4 Условное обозначение кристаллической решетки (а) и
энергетическая диаграмма (б) полупроводника с электронной
электропроводностью.
увеличением дырок в валентной зоне, в таком полупроводнике концентрация
электронов оказывается значительно больше концентрации дырок. Дырки в
полупроводниках образуются только в результате разрыва ковалентных связей
между атомами основного вещества.
Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне
проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются
полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводниками n-
типа.
Подвижные носители заряда, преобладающие в полупроводнике, называют
основными. Соответственно те носители заряда, которые находятся в меньшем
количестве, называются неосновными для данного типа полупроводника. В
полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а
неосновными - дырки. В состоянии теплового равновесия в таком
полупроводнике концентрации свободных электронов ([pic]) и дырок ([pic])
определяются соотношениями:
[pic]; [pic]. (1.3)
С учетом соотношений (1.1) выражения (1.3) можно представить в
следующем виде:
[pic]; (1.4) [pic]. (1.5)
Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выполняется
неравенство [pic](( [pic].
Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону,
превращаются в положительные ионы. В отличие от дырок положительные ионы
прочно связаны с кристаллической решеткой основного полупроводника,
являются неподвижными положительными зарядами и, следовательно, не могут
принимать непосредственное участие в создании электрического тока в
полупроводнике.
Если считать, что при комнатной температуре все атомы донорных
примесей ионизированы ([pic]= Nд, [pic]( 0), на основании выражения (1.4)
можно записать:
[pic], (1.6)
где Nд - концентрация донорных атомов в полупроводнике.
Из соотношения (1.6) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми
располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне
проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры
уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации
основных атомов полупроводника.
Повышение концентрации электронов в данном полупроводнике значительно
снижает его удельное сопротивление. Например, чистый кремний имеет ( =
2(103 Ом( м, а легированный фосфором - (0,25...0,4)(102 Ом(м.
1.1.3 Полупроводники с дырочной электропроводностью
Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами
3-валентного элемента (галлия Ga, индия In), то для образования четырех
ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона (рис.
1.5, а). Этот электрон может быть получен от атома основного элемента
полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к
появлению дырки, так как сопровождается образованием свободного уровня в
валентной зоне. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны,
называют акцепторными или акцепторами. Энергия активизации акцепторов
составляет для германия 0,0102-0,0112 эВ и для кремния 0,045-0,072 эВ, что
значительно меньше ширины запрещенной зоны беспримесного полупроводника.
Следовательно, энергетические уровни примесных атомов располагаются вблизи
валентной зоны (рис. 1.5, б).
Ввиду малого значения энергии активизации акцепторов уже при
комнатной температуре электроны из валентной зоны переходят на уровни
акцепторов. Эти электроны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы,
теряют способность перемещаться по кристаллической решетке, а
образовавшиеся при этом дырки могут участвовать в создании электрического
тока.
За счет ионизации атомов исходного материала из валентной зоны часть
электронов попадает в зону проводимости. Однако электронов в зоне
проводимости значительно меньше, чем дырок в валентной зоне. Поэтому дырки
в таких полупроводниках являются основными, а электроны - неосновными
[pic]
Рисунок 1.5 Условное изображение кристаллической решетки (а) и
энергетическая диаграмма (б) полупроводника с дырочной электропроводностью.
подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название
полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников р-типа.
В состоянии теплового равновесия концентрация дырок в полупроводнике р-типа
([pic]) и свободных электронов ([pic]) определяется из соотношений:
[pic]; (1.7) [pic] (1.8)
Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что для полупроводника р-типа
выполняется неравенство [pic](( [pic].
Если считать, что при комнатной температуре все акцепторные атомы
ионизированы, т. е. [pic]=0, то на основании соотношения можно записать:
[pic], (1.9)
где Na — концентрация акцепторных атомов в полупроводнике.
Соотношение (1.9) показывает, что уровень Ферми в полупроводнике р-
типа располагается в нижней половине запрещенной зоны, так как Na >> ni, и
при повышении температуры смещается к середине запрещенной зоны за счет
ионизации атомов основного полупроводника.
Кроме того, на основании уравнений (1.4), (1.5), (1.7) и (1.8) можно
записать следующее выражение:
[pic] (1.10)
которое показывает, что введение в полупроводник примесей приводит к
увеличению концентрации одних носителей заряда и пропорциональному
уменьшению концентрации других носителей заряда за счет роста вероятности
их рекомбинации.
1.2 ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
1.2.1 Дрейфовый ток
В полупроводниках свободные электроны и дырки находятся в состоянии
хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри
объема полупроводника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через
это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих
чисел окажутся одинаковыми. Это означает, что электрический ток в данном
объеме полупроводника отсутствует.
При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на
хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая
направленного движения. Направленное движение носителей зарядов
|
